预应力单向曲面真空玻璃传热性能模拟与分析 ①

□□ 窦睿智 (吉林建筑大学 材料科学与工程学院，吉林 长春 130118)

引言

真空玻璃的传热过程非常复杂，特别是功能性真空玻璃的传热过程中，包括热传导、热对流和热辐射的耦合作用，没有精确的数学模型很难对真空玻璃的传热机理进行准确地判断和分析。保温隔热性能是真空玻璃最重要性能之一，而传热系数很难在线测量，而且它会随着时间的推移而增加，从而降低隔热性能。因此，对使用中的真空玻璃进行快速准确地测量是困难的[1-2]。此试验旨在寻找一种有效方法来模拟真空玻璃的热传递情况。试验拟采用圆形加热板加热真空玻璃表面，探究其四周挡板的热量损失，非常具有应用意义[3]。为此，基于先进的数值模拟技术，通过ANSYS软件稳态热力学模块对传热过程进行分析，并将仿真结果用于指导和分析非稳态测试方法。

1 试验方法及过程

在ANSYS中仿真模拟主要步骤为：第一步是对模型的基本材料参数进行赋值，通过对材料赋予不同的参数，模拟后的热力学性能指标也不尽相同；第二步是对试验模型进行建模处理，模型建立越精确，施加的边界条件就越简单，越符合应用中的工作原理；第三步是划分网格，ANSYS的工作原理是对模型中的每个单位进行求解分析，需要对模型中的网格划分恰当，网格划分稀疏影响数学模型的计算精度，过于密集会增加软件的处理载荷；第四步是对模型施加边界条件，通过还原模型在使用过程中遇到的环境状况，可以得到真实有效的模型和试验结果；第五步是输出结果与分析，在ANSYS中建立输出数学模型，求解出工作环境中的目标研究结果。

在ANSYS稳态静力学模块中，对真空玻璃进行模拟与分析，通过对真空玻璃上表面施加100 ℃的热源用来模拟应用过程中的受热情况，环境温度设定为15 ℃，在此模拟过程中热源温度不作为具体的边界条件，只是观察以热源为中心的热力分布情况，通过观察真空玻璃不同部位的传热情况，分析玻璃的传热是否合理，是否存在热量流失较大的区域，并对通过后续的试验不断改进与完善真空玻璃的保温性能。

1.1 材料参数的确定

试验采用3 mm厚的24 cm×35 cm钢化玻璃，传热系数经过测量为7.5×10-3W·m-2·K-1；四周封边采用PVC塑料挡板，其传热系数测定为0.65 W·m-2·K-1；预应力张拉钢筋为Φ5.0 mm、1 860 MPa的高强度钢丝，传热系数为45 W·m-2·K-1，并在ANSYS材料参数进行设置，试验设备为美国TA仪器热流计法导热仪FOX 320。

1.2 ANSYS模型建立

首先，在DesignModeler中建立预测的玻璃模型，模型由两块尺寸为32 cm×3.5 cm×1 cm的钢板和四根长为26 cm的高强度钢丝和两块厚为3 mm的微曲面玻璃板组成，玻璃拱起高度为0.2 cm。在两块单向曲面玻璃中间放置一块浅色的填充物替代玻璃空腔，使模型在分析过程中更加直观地观察玻璃内部空间在周围环境影响下产生的温度变化。建立真空玻璃模型如图1所示。

图1 玻璃模型侧面图

1.3 ANSYS网格划分

在ANSYS中，通过建立数学模型来对玻璃传热进行计算分析，网格划分是将模型划分成大量的细小单元，嵌入到计算模型中进行分析求解，在网格较为密集的情况下计算结果较为准确，计算量也随之增大，但是网格划分不能过于稀松，根据有限元的网格无关性要求，计算结果每一个梯度带最少覆盖两个网格，因此，网格划分对模拟分析的结果至关重要[4]。网格划分精度不同对于模型每一部分计算单元的结果也不相同，将有限元模型以10 mm为单位划分网格，将8 916.9 mm2分成34 734个单元进行分析求解，划分后的玻璃模型如图2所示。

图2 侧面网格划分图

1.4 ANSYS边界条件施加

如图3所示，在玻璃的上表面施加热源作为真空玻璃的散热主体，并对四周的挡板添加热对流系数，通过施加合适的边界条件来模拟该模型在工作环境中的运行状况，在试验中对玻璃上下表面与四周的挡板施加40 ℃的温度环境，设定40 ℃主要是考虑在夏季辐射较强的情况下，由于曲面玻璃在太阳光的照射下在会汇聚较大的热能，使得玻璃表面远远高于环境温度。

图3 玻璃的边界条件

2 计算与分析

在稳态热力学模块中，对模型施加温度的求解方案，模拟并分析真空玻璃表面温度分布情况、玻璃四周挡板的温度分布情况、应力铆接钢丝在真空玻璃中的传热情况，进一步研究真空玻璃的保温隔热能力。

图4为真空玻璃表面的传热情况，图中整体红色的区域仅代表模拟过程中施加的热源面积，在宏观图中，玻璃表面的温度逐渐传递到左右两侧挡板中。图5为玻璃表面与挡板连接处的温度分布图，从图中传热情况来看，热源能量从玻璃上表面逐渐传递到玻璃的下表面，温度梯度分布均匀，而在玻璃与挡板接触点处温度较低，并没有产生大量的红色区域，表示温度已经从玻璃传递到挡板处。

图4 玻璃表面整体传热情况

图5 玻璃端面传热放大图

图6为玻璃两侧与挡板连接处的剖面图，图中可以看出，其玻璃内部空腔的热传递情况，由于玻璃四周与挡板接触的原因，逐渐增大。图7为长边挡板与玻璃腔室接触面热分布图，玻璃截面与挡板直接接触的部位传热情况最为明显，在整个真空玻璃系统中属于热量损失较为严重的区域。

图6 挡板剖面放大图

图7 模型长边挡板与玻璃腔室接触面热分布图

图8为铆接钢丝与外界环境接触时的传热情况，通过图形放大显示，铆接钢丝与外界传递热量的较低。图9为铆接钢丝穿入真空玻璃内部时的传热情况，以钢丝穿入部位为中心，温度梯度出现均匀的放射状，影响的区域大约为30 mm。

图8 铆接钢丝热传递分布图

图9 铆接钢丝与模型空腔间的热力分布图

图10为玻璃空腔中距离钢丝不同位置的传热情况，图10(a)可以发现，距离钢丝10 mm处，玻璃空腔产生温度梯度的区域较为明显，基本上占据空腔面积的70%；图10(b)为距离钢丝20 mm处，散热面积较少，占据空腔截面积的5%左右；图10(c)为距离钢丝30 mm处，温度梯度消失，说明在距离钢丝30 mm处，钢丝的传热不会影响真空玻璃内部腔室的温度变化。

图10 距离钢丝不同位置的温度分布图

3 结论

3.1 通过对玻璃上表面施加温度，与环境温度产生温度差，从玻璃表面与挡板的传热情况来看，真空玻璃外部的传热由于玻璃四周与挡板接触的原因，逐渐增大，而与挡板直接接触的区域传热情况较为明显，在整个真空玻璃系统中属于热量损失较为严重的区域。

3.2 预应力铆接钢丝对玻璃空腔影响的区域温度梯度出现均匀的放射状，距离钢丝10 mm处，影响较为明显，影响10 mm处70%，距离20 mm处，影响面积为5%左右，其影响区域大约为30 mm。